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1.15 : Respiration - Biologie


Aperçu de la respiration

Dans les prochains modules, nous commençons à en apprendre davantage sur le processus de respiration et les rôles que jouent les chaînes de transport d'électrons dans ce processus. Une définition du mot « respiration » que la plupart des gens connaissent est « l'acte de respirer ». Lorsque

nous

respiration, l'air, y compris l'oxygène moléculaire, est introduit dans nos poumons depuis l'extérieur du corps, l'oxygène est alors réduit et les déchets, y compris l'oxygène réduit sous forme d'eau, sont expirés. En termes simples, certains réactifs pénètrent dans l'organisme, puis se réduisent et quittent le corps sous forme de déchet. Cette idée générique peut être généralement appliquée à toute la biologie et l'oxygène n'a pas toujours besoin d'être le composé qui a été introduit, réduit et rejeté comme déchets. Ces composés où l'électron est finalement "dumpé" sont plus généralement appelés "accepteurs terminaux d'électrons". Les molécules

à partir duquel

les électrons proviennent peuvent varier considérablement à travers la biologie (nous avons examiné une source commune - la molécule de glucose à base de carbone réduite). Nous appellerons souvent ces molécules « carburant », et l'analogie avec la combustion d'essence, de propane ou de charbon est tout à fait appropriée ; ce sont tous simplement des sources d'électrons, et le déchet est du CO2 et de l'eau. Mais encore une fois, gardez à l'esprit que de nombreux organismes peuvent utiliser des sources d'électrons non carbonées et transférer les électrons à d'autres types d'agents oxydants.

Entre la source d'électrons d'origine et l'accepteur d'électrons terminal se trouve une série de réactions biochimiques impliquant au moins une réaction redox (au cours de la glycolyse, de l'oxydation du pyruvate et du cycle du TCA, nous en avons vu beaucoup !). Ces réactions redox récoltent de l'énergie pour la cellule en couplant des réactions redox exergoniques à des réactions nécessitant de l'énergie dans la cellule. Dans la respiration, un ensemble spécial d'enzymes effectue une série liée de réactions redox qui transfèrent finalement des électrons à l'accepteur d'électrons terminal. Ces "chaînes" d'enzymes redox et de porteurs d'électrons sont appelées chaînes de transport d'électrons (ETC). Les ETC sont donc la partie de la respiration qui utilise un accepteur d'électrons (apporté de l'extérieur de la cellule) comme accepteur final/terminal pour les électrons qui ont été retirés des composés intermédiaires dans le catabolisme. Dans les cellules eucaryotes à respiration aérobie, l'ETC est composé de quatre grands complexes multiprotéiques enchâssés dans la membrane mitochondriale interne et de deux petits porteurs d'électrons diffusibles faisant la navette des électrons entre eux. Les électrons passent d'une enzyme à l'autre par une série de réactions redox. Ces réactions couplent les transferts redox exergoniques au transport endergonique des ions hydrogène à travers la membrane. Ce processus contribue à la création d'un gradient électrochimique transmembranaire. Les électrons traversant l'ETC perdent progressivement de l'énergie potentielle et sont finalement déposés sur l'accepteur d'électrons terminal, qui est éliminé en tant que déchet de la cellule. Lorsque l'oxygène est l'accepteur d'électrons final, la différence d'énergie libre de ce processus redox à plusieurs étapes - de la 1ère étape de l'ETC à la dernière - est de ~ -60 kcal/mol lorsque le NADH donne des électrons ou de 45 kcal/mol lorsque le FADH2 donne des électrons.

Introduction au redox, à la phosphorylation oxydative et aux chaînes de transport d'électrons

Dans un module précédent (Encaisser sur Redox), nous avons discuté du concept général des réactions redox en biologie et présenté la tour d'électrons, un outil pour vous aider à comprendre la chimie redox et à estimer la direction et l'ampleur des différences d'énergie potentielle pour divers couples redox. Dans les modules précédents, la phosphorylation et la fermentation au niveau du substrat ont été discutées et nous avons vu comment les réactions redox exergoniques pouvaient être directement couplées par des enzymes à la synthèse endergonique d'ATP. Ces processus sont supposés être l'une des plus anciennes formes de production d'énergie utilisées par les cellules. Dans cette section, nous discutons des prochaines avancées évolutives dans le métabolisme énergétique cellulaire, la phosphorylation oxydative d'ADP pour former l'ATP. Tout d'abord, la phosphorylation oxydative n'est pas nécessairement impliquent l'utilisation d'oxygène comme accepteur terminal d'électrons. La phosphorylation oxydative a évolué avant O2 était disponible et n'a cessé d'évoluer depuis lors. Comme « aérobies obligatoires » (organismes qui ne peuvent pas vivre sans O2) nous ne pouvons nous-mêmes utiliser que O2 comme accepteur terminal. Certains organismes sont beaucoup plus flexibles, métaboliquement, et d'autres (anaérobies obligatoires) ne peuvent pas utiliser O2 du tout. Le processus de génération d'ATP à partir d'ADP est appelé phosphorylation oxydative (par opposition à la phosphorylation au niveau du substrat vue plus tôt, dans la glycolyse et le cycle de l'acide citrique) car il repose sur des réactions redox pour générer une réaction électrochimique. potentiel transmembranaire qui peut ensuite être utilisé par la cellule pour ajouter un groupe phosphate à l'ADP (ou pour effectuer d'autres types de travail). Si vous y réfléchissez, ce ne sont pas les noms les plus appropriés, car des réactions redox se produisent également dans la glycolyse et le cycle de l'acide citrique.

Un résumé rapide des chaînes de transport d'électrons

L'ETC commence par le don d'électrons de NADH, FADH2 ou d'autres composés réduits à un premier accepteur dans la chaîne. L'électron se déplace à travers une série de transporteurs d'électrons, porteurs (principalement des protéines) qui subissent une série de réactions redox. L'énergie libre transférée à partir de ces réactions redox exergoniques est, dans certaines étapes, couplée au mouvement endergonique des protons à travers une membrane. La membrane étant une barrière efficace contre les ions, ce pompage entraîne une accumulation inégale de protons à travers la membrane. Cela "polarise" ou "charge" à son tour la membrane, avec un net positif (protons) d'un côté de la membrane et une charge négative de l'autre côté de la membrane. La séparation des charges crée un Potentiel électrique. De plus, l'accumulation de protons provoque également un gradient de pH connu sous le nom de chimique potentiel à travers la membrane (les protons sont pompés d'une faible concentration à une plus élevée [H+] environnement). Ensemble, ces deux gradients (électrique et chimique) sont appelés un gradient électrochimique. Le -∆G des électrons descendant l'ETC est récolté sous la forme de ce gradient.

Critique : La tour d'électrons

Étant donné que la chimie redox est si centrale dans le sujet, nous commençons par un examen rapide du tableau des potentiels de réduction - parfois appelé "tour redox" ou "tour d'électrons". Vous pouvez entendre vos instructeurs utiliser ces termes de manière interchangeable. Comme nous l'avons vu dans les modules précédents, toutes sortes de composés peuvent participer aux réactions d'oxydoréduction biologiques. Donner un sens à toutes ces informations et classer les paires redox potentielles peut être déroutant. Un outil a été développé pour évaluer les demi-réactions redox en fonction de leur potentiels de réduction ou E0' valeurs. Le fait qu'un composé particulier puisse agir comme donneur d'électrons (réducteur) ou accepteur d'électrons (oxydant) dépend de l'autre composé avec lequel il interagit. La tour redox classe une variété de composés communs (leurs demi-réactions) de la plus négative E0', composés qui se débarrasser facilement des électrons, au plus positif E0', composés le plus susceptible d'accepter des électrons. La tour organise ces demi-réactions en fonction de la capacité des composés à accepter des électrons. Dans de nombreuses tours redox, chaque demi-réaction est écrite par convention avec la forme oxydée à gauche suivie de la forme réduite à sa droite. Les deux formes peuvent être soit séparées par une barre oblique, par exemple la demi-réaction pour la réduction du NAD+ à NADH s'écrit : NAD+/NADH (2e-), ou par des colonnes séparées. Une tour à électrons est illustrée ci-dessous.

Une "tour redox" biologique commune. Orientez-vous en trouvant l'accepteur d'électrons le plus fort (= oxydant le plus fort). J'espère qu'il vous est familier.

Noter

Utilisez la tour redox ci-dessus comme guide de référence pour vous orienter sur le potentiel de réduction des différents composés. Les réactions d'oxydoréduction peuvent être exergoniques ou endergoniques en fonction des potentiels d'oxydoréduction relatifs du donneur et de l'accepteur (représentés par deux demi-réactions différentes sur la tour). Souvenez-vous également qu'il existe de nombreuses manières différentes d'envisager cela de manière conceptuelle ; ce type de tour redox n'est qu'un moyen.

Noter: Les raccourcis de langue réapparaissent

Dans le tableau redox ci-dessus, certaines entrées semblent être écrites de manière non conventionnelle. Par exemple le cytochrome cbœuf/rouge. Il ne semble y avoir qu'un seul formulaire répertorié. Pourquoi? Ceci est un autre exemple de raccourci de langue (probablement utilisé pour qu'il tienne dans la colonne) qui peut prêter à confusion. La notation ci-dessus pourrait être réécrite comme Cytochrome cbœuf/Cytochrome crouge pour indiquer que la protéine du cytochrome c peut exister dans un état oxydé (Cytochrome cbœuf ) ou état réduit (Cytochrome crouge).

Revoir la vidéo de la tour redox

Pour une courte vidéo sur l'utilisation de la tour redox dans les problèmes redox, cliquez ici. Cette vidéo a été réalisée par le Dr Easlon pour les étudiants de Bis2A.

Utilisation de la tour redox : un outil pour aider à comprendre les chaînes de transport d'électrons

Par convention, les demi-réactions de la tour sont écrites avec la forme oxydée du composé à gauche et la forme réduite à droite. Notez que les composés tels que le glucose et l'hydrogène gazeux sont d'excellents donneurs d'électrons et ont des potentiels de réduction très faibles E0'. Composés, tels que l'oxygène et le nitrite, dont les demi-réactions ont des potentiels de réduction positifs relativement élevés (E0') font généralement de bons accepteurs d'électrons et se trouvent à l'autre extrémité du tableau.

Exemple: Ménaquinone

Regardons la ménaquinonebœuf/rouge. Ce composé se trouve au milieu de la tour redox avec une demi-réaction E0' valeur de -0,074 eV. Ménaquinonebœuf peut spontanément (ΔG<0) accepter des électrons de formes réduites de composés avec une demi-réaction inférieure E0'. Ces transferts forment la ménaquinonerouge et la forme oxydée du donneur d'électrons d'origine. Dans le tableau ci-dessus, des exemples de composés qui pourraient agir comme donneurs d'électrons pour la ménaquinone comprennent FADH2, un E0' valeur de -0,22, ou NADH, avec un E0' valeur de -0,32 eV. N'oubliez pas que les formes réduites se trouvent à droite de la paire rouge/bœuf.

Une fois que la ménaquinone a été réduite en ménaquinone (rouge), elle peut maintenant donner spontanément (ΔG<0) des électrons à n'importe quel composé avec une demi-réaction E plus élevée0' valeur. Les accepteurs d'électrons possibles incluent le cytochrome bbœuf avec un E0' valeur de 0,035 eV; ou ubiquinonebœuf avec un E0' de 0,11 eV. Rappelez-vous que les formes oxydées se trouvent sur le côté gauche de la demi-réaction.

Chaînes de transport d'électrons

Un chaîne de transport d'électrons, ou ETC, est composé d'un groupe de complexes protéiques dans et autour d'une membrane qui aident à coupler énergétiquement une série de réactions redox exergoniques/spontanées au pompage endergonique de protons à travers la membrane pour générer un gradient électrochimique. Ce gradient électrochimique crée un potentiel d'énergie libre qui est appelé un force motrice de protons dont le flux exergonique énergétiquement « descendant » peut ensuite être couplé à une variété de processus cellulaires.

Aperçu de l'ETC

Étape 1. Les électrons entrent dans l'ETC à partir d'un donneur d'électrons, tel que NADH ou FADH2 qui sont générés au cours d'une variété de réactions cataboliques, y compris celles associées à l'oxydation du glucose. Selon la complexité (nombre et types de porteurs d'électrons) de l'ETC utilisé par un organisme, les électrons peuvent entrer à divers endroits dans la chaîne de transport d'électrons - cela dépend des potentiels de réduction respectifs des donneurs et accepteurs d'électrons proposés. Dans certains organismes métaboliquement flexibles, la chaîne pourrait également se terminer à une variété d'accepteurs d'électrons externes.

Étape 2. Après la première réaction d'oxydoréduction, le donneur d'électrons initial s'oxydera et l'accepteur d'électrons se réduira. La différence de potentiel redox entre l'accepteur d'électrons et un donneur est liée à ΔG par la relation ΔG = -nFΔE, où n = le nombre d'électrons transférés et F = la constante de Faraday. Plus un ΔE positif est grand, plus la réaction est exergonique.

Étape 3. Si une énergie suffisante est transférée au cours d'une étape d'oxydoréduction exergonique, le porteur d'électrons peut coupler ce changement négatif d'énergie libre au processus endergonique de transport d'un proton d'un côté de la membrane à l'autre.

Étape 4. Après plusieurs transferts redox, l'électron est délivré à une molécule connue sous le nom d'accepteur d'électrons terminal. Dans le cas de l'homme, l'accepteur terminal d'électrons est l'oxygène. Cependant, il y a beaucoup, beaucoup, beaucoup d'autres accepteurs d'électrons possibles, voir ci-dessous.

Noter

Les électrons entrant dans l'ETC ne doivent pas nécessairement provenir du NADH ou du FADH2. De nombreux autres composés peuvent servir de donneurs d'électrons, les seules exigences sont qu'il existe une enzyme qui peut oxyder le donneur d'électrons puis réduire un autre composé et que l'E0' être positif (e.g. ΔG<0). Même de petites quantités de transferts d'énergie gratuits peuvent s'additionner. Par exemple, il existe des bactéries qui utilisent H2 comme donneur d'électrons. Ce n'est pas trop difficile à croire car la demi-réaction 2H+ + 2 e-/H2 a un potentiel de réduction (E0') de -0,42 V. Si ces électrons sont finalement livrés à l'oxygène, le ΔE0' de la réaction est de 1,24 V ce qui correspond à un grand ΔG négatif (-ΔG). Alternativement, certaines bactéries peuvent oxyder le fer, Fe2+ à pH 7 à Fe3+ avec un potentiel de réduction (E0') de + 0,2 V. Ces bactéries utilisent l'oxygène comme accepteur terminal d'électrons et dans ce cas, le ΔE0' de la réaction est d'environ 0,62 V. Cela produit toujours un -ΔG. L'essentiel est que, selon le donneur et l'accepteur d'électrons que l'organisme utilise, un peu ou beaucoup d'énergie (par électron) peut être transférée et utilisée par la cellule car les électrons sont donnés à la chaîne de transport d'électrons.

Comment calculez-vous ∆E ? C'est assez simple en utilisant la table redox - cherchez le état final (en V) de l'électron (par exemple, l'eau, de la réduction de O2) et soustraire le état initial (disons, sous forme de glucose). En utilisant ce graphique, votre calcul ∆E serait de 0,82 -(-0,43) = 1,25 volts. Vous n'avez pas (encore) besoin de vous soucier du nombre d'électrons car ∆ volts ont des unités de ∆ unité d'énergie/unité de charge (par exemple, Joules par Coulomb).

Quels sont les complexes de l'ETC ?

Les ETC sont constitués d'une série (ou d'au moins une) de protéines redox associées à la membrane ou (certaines sont intégrales) de complexes protéiques (complexe = plus d'une protéine disposée dans une structure quaternaire) qui déplacent les électrons d'une source donneuse, telle que le NADH , à un accepteur d'électrons terminal final, tel que l'oxygène. Cette paire particulière donneur/accepteur terminal est la principale utilisée dans les mitochondries humaines. Chaque transfert d'électrons dans l'ETC nécessite un substrat réduit en tant que donneur d'électrons et un substrat oxydé en tant qu'accepteur d'électrons. Dans la plupart des cas, l'accepteur d'électrons est un membre du complexe enzymatique. Une fois le complexe réduit, le complexe peut servir de donneur d'électrons pour la réaction suivante.

Comment les complexes ETC transfèrent-ils les électrons ?

Comme mentionné précédemment, l'ETC est composé d'une série de complexes protéiques qui subissent une série de réactions redox liées. Ces complexes sont en fait des complexes enzymatiques multiprotéiques appelés oxydoréductases : les enzymes effectuent à la fois une oxydation (de l'étape de la chaîne "au-dessus" d'elles, énergétiquement) et une réduction (du complexe dans le complexe de la chaîne en dessous d'elles) ou réductases (encore une fois, malgré le fait que l'enzyme oxyde à la fois un donneur d'électrons et passe cet électron à un accepteur d'électrons). La seule exception à cette convention de dénomination est le complexe terminal de la respiration aérobie qui utilise l'oxygène moléculaire comme accepteur d'électrons terminal. Ce complexe enzymatique est appelé un oxydase (même si cela oxyde et réduit quelque chose). Les réactions d'oxydoréduction au sein de ces complexes sont généralement effectuées par un composant non protéique appelé un groupe prosthétique. Ceci est vrai pour tous les porteurs d'électrons à l'exception des quinones, qui sont une classe de lipides pouvant être directement réduits ou oxydés par les oxydoréductases. Dans ce cas, la Quinonerouge et la Quinonebœuf est soluble dans la membrane et peut passer de complexe à complexe. Les groupements prothétiques sont directement impliqués dans les réactions d'oxydoréduction catalysées par leurs oxydoréductases associées. En général, ces groupes prothétiques peuvent être divisés en deux types généraux : ceux qui portent à la fois des électrons et des protons et ceux qui ne portent que des électrons.

Question:

Si la réaction redox est effectuée par un "groupe prothétique" non protéinique (voir liste ci-dessous) - pourquoi s'embêter avec la partie protéique du complexe ?

Les porteurs d'électrons et de protons dans l'ETC

  • Flavoprotéines (Fp), ces protéines contiennent un groupe prothétique organique appelé un flavine, qui est la fraction réelle qui subit la réaction d'oxydation/réduction. FADH2 est un exemple de Fp.
  • Quinones, sont une famille de lipides, ce qui signifie qu'ils sont solubles dans la membrane.
  • NADH et NADPH sont l'électron (2e-) et le proton (2 H+) transporteurs, bien sûr. La FADH2 nous savons que le cycle de l'acide citrique est en fait lié à l'enzyme succinate déshydrogénase.
  • Cytochromes sont des protéines qui contiennent un groupe prothétique hème. L'hème est capable de transporter un seul électron.
  • Protéines Fer-Soufre contiennent un amas fer-soufre non hémique pouvant transporter un électron. Le groupe prothétique est souvent abrégé en Fe-S

Respiration aérobie versus respiration anaérobie

Dans le monde dans lequel nous vivons, la plupart des organismes que nous voyons autour de nous respirent de l'air, qui contient environ 20 % d'oxygène. L'oxygène est notre accepteur terminal d'électrons. Nous appelons ce processus la respiration, en particulier la respiration aérobie. Nous respirons de l'oxygène, il se diffuse dans nos cellules et dans nos mitochondries où il sert d'accepteur final des électrons de nos chaînes de transport d'électrons. C'est-à-dire respiration aérobie: le processus d'utilisation de l'oxygène comme accepteur terminal d'électrons dans une chaîne de transport d'électrons.

Bien que nous puissions utiliser l'oxygène comme accepteur terminal d'électrons pour nos chaînes respiratoires, le processus plus général de respiration a évolué à une époque où l'oxygène n'était pas un composant majeur de l'atmosphère. Respiration ou la phosphorylation oxydative ne nécessite pas du tout d'oxygène; il nécessite simplement un composé avec un potentiel de réduction élevé pour agir comme un accepteur d'électrons terminal. De nombreux organismes peuvent utiliser une variété de composés, y compris le nitrate (NO3-), nitrite (NO2-), même le fer (Fe+++) comme accepteurs terminaux d'électrons. Lorsque l'oxygène est NE PAS l'accepteur d'électrons terminal, le processus est appelé respiration anaérobie. La capacité des organismes à faire varier leur accepteur terminal d'électrons offre une flexibilité métabolique et peut assurer une meilleure survie si un accepteur terminal donné est en quantité limitée. Pensez-y : en l'absence d'oxygène, nous mourons ; mais un organisme qui peut utiliser un accepteur d'électrons terminal différent peut survivre.

Question : Quelle est la différence entre la respiration anaérobie et la fermentation ?

Voici une vidéo amusante dans laquelle un gentil jeune homme NE COMPREND PAS COMPLÈTEMENT ce qu'est la respiration anaérobie, nous enseignant à la place la fermentation. Méfiez-vous des internautes ! Je dirais "vous en avez pour votre argent", mais c'est en fait un site pour lequel vous devez payer !

Un exemple générique d'un ETC simple et 2 complexe

La figure ci-dessous représente une chaîne de transport d'électrons générique, composée de deux complexes membranaires intégrés ; Complexe Ibœuf et Complexe IIbœuf. Un donneur d'électrons réduit, désigné DH (tel que NADH ou FADH2) réduit le complexe Ibœuf donnant naissance à la forme oxydée D (comme le NAD+ ou FAD). Simultanément, un groupe prothétique au sein du complexe I est maintenant réduit (accepte les électrons). Dans cet exemple, la réaction redox est exergonique et la différence d'énergie libre est couplée par les enzymes du Complexe I à la translocation endergonique d'un proton d'un côté de la membrane à l'autre. Le résultat net est qu'une surface de la membrane devient plus chargée négativement, en raison d'un excès d'ions hydroxyle (OH-) et l'autre côté se charge positivement en raison d'une augmentation des protons de l'autre côté. Complexe Irouge peut maintenant réduire le groupe prothétique dans Complex IIrouge tout en étant simultanément oxydé par le Complexe IIbœuf. Les électrons passent du complexe I au complexe II via des réactions d'oxydoréduction thermodynamiquement spontanées, régénérant le complexe Ibœuf qui peut répéter le processus précédent. Complexe IIrouge réduit A, l'accepteur d'électrons terminal pour régénérer le complexe IIbœuf et créer la forme réduite de l'accepteur d'électrons terminal. Dans ce cas, le complexe II peut également déplacer un proton au cours du processus. Si A est l'oxygène moléculaire, de l'eau (AH) sera produite. Lorsque A est l'oxygène, le schéma réactionnel serait considéré comme un modèle d'ETC aérobie. Cependant, si A est un nitrate, NON3- puis Nitrite, NON2- est produit (AH) et ce serait un exemple d'un unETC aérobie.

Chaîne de transport d'électrons complexe générique 2. Sur la figure, DH est le donneur d'électrons (donneur réduit) et D est le donneur oxydé. A est l'accepteur d'électrons terminal oxydé et AH est le produit final, la forme réduite de l'accepteur. Lorsque DH est oxydé en D, les protons sont transloqués à travers la membrane, laissant un excès d'ions hydroxyle (chargés négativement) d'un côté de la membrane et des protons (chargés positivement) de l'autre côté de la membrane. La même réaction se produit dans le complexe II lorsque l'accepteur d'électrons terminal est réduit en AH.

Exercice 1

Question de réflexion

Sur la base de la figure ci-dessus et en utilisant une tour à électrons, quelle est la différence de potentiel électrique si (A) DH est NADH et A est O2 et (B) DH est NADH et A est NO3-. Quelles paires (A ou B) fournissent le plus d'énergie utilisable ?

Dans l'exemple nitrate vs nitrite ci-dessus, les formes oxydées et réduites ont une charge de moins 1. Alors... comment savoir quelle forme est la plus oxydée ?

La figure ci-dessus présente un problème : elle représente un électron flottant à l'intérieur de la membrane. Cela n'arriverait pas - la membrane n'est pas un "fil", c'est un "isolant". Vous pouvez dessiner votre propre version corrigée.

Regard détaillé sur la respiration aérobie

Les mitochondries eucaryotes ont développé une ETC très efficace. Il existe quatre complexes composés de plusieurs protéines et de leurs groupes prothétiques. Ces complexes marqués I à IV sont représentés dans la figure ci-dessous. L'agrégation de ces quatre complexes, avec les porteurs d'électrons mobiles et accessoires associés, constitue la chaîne de transport d'électrons. Ce type de chaîne de transport d'électrons est présent en plusieurs exemplaires dans la membrane mitochondriale interne des eucaryotes.

La chaîne de transport d'électrons est une série de transporteurs d'électrons intégrés dans la membrane mitochondriale interne qui transporte les électrons du NADH et du FADH2 à l'oxygène moléculaire. Au cours du processus, des protons sont pompés de la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire, et l'oxygène est réduit pour former de l'eau.

Complexe I

Pour commencer, deux électrons sont transportés vers le premier complexe à bord du NADH. Ce complexe, marqué I, est composé de flavine mononucléotide (FMN) et d'une protéine contenant du fer-soufre (Fe-S). FMN, qui est dérivé de la vitamine B2, également appelée riboflavine, est l'un des nombreux groupes prothétiques ou cofacteurs de la chaîne de transport d'électrons. Ces groupes prothétiques (molécule non protéique requise pour l'activité d'une protéine) sont des molécules non peptidiques organiques ou inorganiques liées à une protéine, de manière covalente ou non covalente ; les groupes prothétiques comprennent les co-enzymes, qui sont les groupes prothétiques d'enzymes. L'enzyme du complexe I est la NADH déshydrogénase (alias NADH Q réductase) et est une très grosse protéine, contenant 45 chaînes d'acides aminés. Le complexe I peut pomper quatre ions hydrogène à travers la membrane de la matrice dans l'espace intermembranaire, et c'est de cette manière que le gradient d'ions hydrogène est établi et maintenu entre deux compartiments aqueux séparés par la membrane mitochondriale interne.

Q et Complexe II

Le complexe II reçoit directement le FADH2, FADH2les électrons de ne traversent pas le complexe I. Le composé reliant les premier et deuxième complexes au troisième est l'ubiquinone (Q). La molécule Q est liposoluble et se déplace librement à travers le noyau hydrophobe de la membrane. Une fois qu'il est réduit, (QH2), l'ubiquinone livre ses électrons au prochain complexe de la chaîne de transport d'électrons. Q reçoit les électrons dérivés du NADH du complexe I et les électrons dérivés du FADH2 du complexe II, y compris la succinate déshydrogénase. Cette enzyme et FADH2 forment un petit complexe qui délivre des électrons directement à la chaîne de transport d'électrons, en contournant le premier complexe. Étant donné que ces électrons contournent et n'activent donc pas la pompe à protons dans le premier complexe, moins de molécules d'ATP sont fabriquées à partir du FADH.2 électrons. Comme nous le verrons dans la section suivante, le nombre de molécules d'ATP finalement obtenues est proportionnel au nombre de protons pompés à travers la membrane mitochondriale interne.

Complexe III

Il y a beaucoup de redox sur cette image. Quel est le donneur d'électrons en amont entrant dans le Complexe III ? Quel complexe/molécule le Complexe III réduit-il ?

Le troisième complexe est composé de protéines qui portent un certain nombre de groupes prothétiques : un cytochrome de type B, un cytochrome de type c et un amas fer-soufre ; ce complexe est appelé cytochrome avant JC1 complexe. Les protéines du cytochrome (= "pigment cellulaire") ont un groupe prothétique qui comprend un métal lié par l'hème. La molécule d'hème est similaire à l'hème de l'hémoglobine, mais elle transporte des électrons, pas de l'oxygène. En conséquence, l'ion fer à son noyau est réduit et oxydé lorsqu'il passe devant les électrons, fluctuant entre différents états d'oxydation : Fe++ (réduit) et Fe+++ (oxydé). Les molécules d'hème dans les cytochromes ont des caractéristiques légèrement différentes en raison des effets des différentes protéines qui les lient, donnant des caractéristiques légèrement différentes à chaque complexe. Le complexe III pompe des protons à travers la membrane et transmet ses électrons au cytochrome c pour les transporter vers le quatrième complexe de protéines et d'enzymes (le cytochrome c est l'accepteur des électrons de Q ; cependant, alors que Q transporte des paires d'électrons, le cytochrome c ne peut accepter qu'un seul à la fois).

Cytochrome C

Les complexe de cytochromes, ou cyt c est une petite héméprotéine associée de manière lâche à la membrane interne de la mitochondrie. Elle appartient à la famille des protéines du cytochrome c. Le cytochrome c est un composant essentiel de la chaîne de transport d'électrons, où il transporte un électron. Il est capable de subir une oxydation et une réduction lorsque son atome de fer se transforme entre les formes ferreuse et ferrique, mais ne lie pas l'oxygène. Il transfère des électrons entre les complexes III (Coenzyme Q – Cyt C réductase) et IV (Cyt C oxydase).

Complexe IV, cytochrome C oxydase

Ce complexe contient deux groupes hèmes (un dans chacun des deux cytochromes, a et a3) et trois ions cuivre (une paire de CuA et un CuB dans le cytochrome a3). Les cytochromes retiennent très étroitement une molécule d'oxygène entre les ions fer et cuivre jusqu'à ce que l'oxygène soit complètement réduit (le donneur, le cytochrome C, ne peut délivrer qu'un électron à la fois). L'oxygène réduit capte ensuite deux ions hydrogène du milieu environnant pour faire de l'eau (H2O). L'élimination des ions hydrogène du système contribue au gradient d'ions utilisé dans le processus de phosphorylation oxydative (en plus de fournir le -∆G requis pour entraîner d'autres processus endergoniques).

Voici une très belle vidéo qui inclut la chaîne de transport d'électrons. Je pense que c'est très utile, regardez-la ! Cela commence par l'ATP synthase, dont nous n'avons pas encore parlé, mais ça va, ça expliquera pourquoi la cellule construit ce gradient de protons !

J'ai un problème avec cette animation : il n'y a vraiment aucune discussion sur le fonctionnement du pompage de protons - la discussion est extrêmement vague - on pourrait même en sortir avec l'idée qu'un gaz se forme dans le domaine matriciel de la NADH déshydrogénase (complexe I). En fait, la pompe à protons du complexe I est entièrement encastrée dans la membrane et n'est pas du tout illustrée ici. Vraisemblablement, c'est parce que le mécanisme de pompage est un sujet de débat. Pour les besoins de ce cours, vous devez simplement savoir - comme mentionné dans la vidéo - que la formation endergonique d'un gradient de protons est alimentée par les réactions redox exergoniques. Dans la NADH déshydrogénase, cela comprend l'oxydation de la NADH par une flavine au sein de l'enzyme, certains transferts internes d'électrons au sein de l'enzyme, puis le transfert de l'électron à une quinone soluble dans la membrane (coenzyme Q), pour former un quinol. Chacun de ces transferts de 2 électrons est illustré ci-dessous, avec les molécules oxydées en premier.

Question:

La NADH déshydrogénase pourrait-elle réduire le NAD+ ainsi que d'oxyder le NADH? Dans quelles circonstances cela peut-il arriver ?

Chimiosmose

L'énergie libre de la série de réactions redox que nous venons de décrire est utilisée pour pomper des ions hydrogène (protons) à travers la membrane, ce qui entraîne une concentration de protons sur un côté de la membrane. La distribution inégale de H+ ions à travers la membrane établit à la fois des gradients de concentration et des gradients électriques (donc un gradient « électrochimique »), en raison de la charge positive des ions hydrogène et de leur agrégation d'un côté de la membrane.

Si la membrane était ouverte à la diffusion par les ions hydrogène, les ions auraient tendance à rediffuser dans la matrice, entraînés par leur gradient électrochimique. De nombreux ions ne peuvent pas diffuser à travers les régions non polaires des membranes phospholipidiques sans l'aide de canaux ioniques. De même, les ions hydrogène dans l'espace matriciel ne peuvent traverser la membrane mitochondriale interne que via une protéine membranaire intégrale appelée ATP synthase (représentée ci-dessous et illustrée dans la vidéo recommandée ci-dessus). Ce complexe agit comme un minuscule générateur, actionné par les protons descendant leur gradient électrochimique. Le mouvement de cette machine moléculaire sert à la fois à abaisser l'énergie d'activation de la réaction ADP + Pi -> ATP et à coupler le transfert exergonique d'énergie associé au mouvement des protons le long de leur gradient électrochimique à l'addition endergonique d'un phosphate à l'ADP, formant ATP.

L'ATP synthase est une machine moléculaire complexe qui utilise un proton (H+) pour former de l'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique (Pi). (Crédit : modification d'œuvre de Klaus Hoffmeier). Si vous avez eu du O-chem et que vous souhaitez approfondir un peu le mécanisme par lequel la flexion mécanique de ce complexe favorise la formation d'ATP, regardez cette vidéo.

Discussion suggérée

Le dinitrophénol (DNP) est un petit produit chimique qui rend la membrane perméable aux protons. Il est parfois utilisé comme médicament amaigrissant et peut avoir des conséquences mortelles. Quel effet attendez-vous du DNP sur la différence de pH des deux côtés de la membrane mitochondriale interne ? Pourquoi pensez-vous que cela pourrait être un médicament efficace pour la perte de poids ? Pourquoi cela pourrait-il être dangereux ?

Dans nos cellules, la chimiosmose est utilisée pour générer 90 pour cent de l'ATP produit pendant le catabolisme aérobie du glucose ; c'est aussi la méthode utilisée dans les réactions lumineuses de la photosynthèse pour exploiter l'énergie de la lumière du soleil dans le processus de photophosphorylation (vs. phosphorylation oxydative via l'ATPase des mitochondries). Le résultat global de ces réactions est la production d'ATP à partir de l'énergie des électrons retirés des atomes d'hydrogène. Ces atomes faisaient à l'origine partie d'une molécule de glucose. À la fin de la voie, les électrons sont utilisés pour réduire une molécule d'oxygène en eau.

Vidéo super utile :

Dans la phosphorylation oxydative, le gradient de pH formé par la chaîne de transport d'électrons est utilisé par l'ATP synthase pour former l'ATP dans une bactérie Gram-.

Discussion suggérée

Le cyanure inhibe la cytochrome C oxydase, un composant de la chaîne de transport d'électrons. En cas d'empoisonnement au cyanure, vous attendriez-vous à ce que la concentration de protons de l'espace intermembranaire augmente ou diminue ? Quel effet le cyanure aurait-il sur la synthèse d'ATP ?


AP Sample 6 Lab 5 – Respiration Cellulaire

La respiration cellulaire est la libération d'énergie à partir de composés organiques par oxydation chimique métabolique dans les mitochondries de chaque cellule. Des réactions à médiation enzymatique sont nécessaires. L'équation de la respiration cellulaire est :

C6H12O6 + 6 O2 à 6 CO2 + 6 H2O + 686 kilocalories d'énergie/mole de glucose oxydé

Plusieurs mesures différentes peuvent être tirées de cette équation. La consommation d'oxygène, qui vous dira combien de moles d'oxygène sont consommées lors de la respiration cellulaire. C'est ce qui a été mesuré dans ce laboratoire. La production de CO2 peut également être mesurée. Et bien sûr, la libération d'énergie peut être mesurée. La respiration cellulaire est une voie catabolique et les mitochondries abritent la plupart des équipements métaboliques de la respiration cellulaire. Il décomposera le glucose dans ce que nous appelons une réaction exergonique. Comme dit précédemment, la consommation de molécules d'oxygène sera mesurée sous forme gazeuse. Il faut connaître les lois physiques des gaz lorsqu'on travaille avec eux. Les lois sont résumées par l'équation suivante.

P représente la pression du gaz

V est le volume de gaz

n est le nombre de molécules de gaz

R est la constante de gaz (valeur fixe)

T est la température du gaz ( en K° )

Le CO2 produit lors de la respiration cellulaire sera éliminé par l'hydroxyde de potassium (KOH) et formera un carbonate de potassium solide (K2CO3) lorsque la réaction suivante se produit : CO2 + 2 KOH à K2CO3+ H2O

Puisque le CO2 est éliminé, la variation du volume de gaz dans le respiromètre sera directement liée à la quantité d'oxygène consommée. Si la température et le volume de l'eau restent constants, l'eau se déplacera vers la région de basse pression. Pendant la respiration, de l'oxygène sera consommé et son volume sera réduit car le CO2 est converti en un solide. Le résultat net est une diminution du volume de gaz dans le tube et une diminution de la pression du tube. Le flacon avec billes détectera tout changement atmosphérique.

Plusieurs facteurs différents affecteront le taux de consommation d'O2. Les pois non germés auront un taux plus faible que les pois germés et la froideur de l'eau ralentira les taux.

Le matériel utilisé pour ce laboratoire était : une éprouvette graduée de 100 ml, 6 flacons, des pois en germination, des pois secs, des billes de verre, 2 bains-marie, du coton absorbant et du coton non absorbant, des poids, du KOH, de l'eau, des bouchons, des pipettes, des élastiques, du ruban adhésif, de la colle, un thermomètre, de la glace, un crayon et du papier.

Mettre en place un bain-marie à 25°C et à 10°C. De la glace peut être utilisée pour obtenir 10°C.

Respiromètre 1 : Obtenez une éprouvette graduée de 100 ml et remplissez-la de 50 ml d'H2O.

Déposez 25 petits pois en germination. Déterminer la quantité d'eau déplacée. Volume de pois = 11 ml. Retirez les pois et placez-les sur du papier absorbant.

Respiromètre 2 : remplir le cylindre avec 50 ml d'H2O. Déposez 25 pois secs dans le cylindre. Ajouter des billes de verre pour obtenir le même volume que celui obtenu dans le respiromètre 1. Retirer les pois et les billes sur une serviette en papier.

Respiromètre 3 : Ajouter 50 ml d'eau dans le cylindre. Mettez uniquement des billes pour obtenir un volume équivalent aux 2 premiers respiromètres. Mettez une serviette en papier lorsque vous avez terminé. Répétez les étapes du respiromètre 1 pour le respiromètre 4. Et 2 pour 5. Et 3 pour 6. Écoutez votre professeur pour savoir comment et où installer les respiromètres. Remplissez maintenant vos flacons avec les éléments requis indiqués dans le tableau et dans la figure 5.1. Fermez les flacons une fois que vos articles ont été placés pour arrêter toute fuite de gaz ou d'eau. Placez un collier lesté au fond de vos flacons afin qu'ils restent immergés dans les bains-marie. Pendant l'équilibrage, utilisez du ruban adhésif fixé de chaque côté des bains-marie pour maintenir les respiromètres hors de l'eau pendant 7 minutes. Les flacons 1 à 3 doivent être dans le bain-marie à 25 °C et les flacons 4 à 6 doivent être dans le bain-marie à 10 °C. Enfin immerger totalement les respiromètres et les laisser s'équilibrer pendant 3 minutes supplémentaires. Lisez la ligne d'eau où se trouve l'oxygène et enregistrez à des intervalles de 5 minutes jusqu'à 25 minutes. Enregistrer dans le tableau 5.1.

Tableau 5.1 : Mesure de la consommation d'O2 par les graines de pois trempées et sèches à température ambiante et à 10 °C à l'aide de méthodes volumétriques

Dans cette activité, vous étudiez à la fois les effets de la germination par rapport à la non-germination et de la température chaude par rapport à la température froide sur la fréquence respiratoire. Identifiez l'hypothèse testée sur cette activité.
Les pois non germés auront un rythme respiratoire plus lent que les pois germés et la froideur de l'eau ralentira le rythme à mesure qu'elle se refroidit.

Cette activité utilise un certain nombre de contrôles. Identifiez au moins trois des contrôles et décrivez le but de chacun.
Les trois contrôles sont les billes dans un flacon contrôlant la pression barométrique, le KOH maintient l'égalité dans la consommation de CO2, et les intervalles de temps donnent à chaque flacon la même durée afin que les résultats ne soient pas affectés.

Décrire et expliquer la relation entre la quantité d'oxygène consommée et le temps.
La relation était assez constante, il y a peut-être eu une augmentation progressive de la consommation d'O2.

Pourquoi est-il nécessaire de corriger les lectures des pois avec les lectures des billes ?
Les billes n'étaient qu'un témoin, ne subissant aucun changement de gaz.

Expliquer les effets de la germination (par rapport à la non-germination) sur la respiration des graines de pois.
Les graines en germination avaient un taux métabolique plus élevé et consommaient donc plus d'oxygène que les graines non germées.

Ci-dessus est un exemple de graphique des données possibles obtenues pour la consommation d'oxygène en faisant germer des pois jusqu'à environ 8 oC. Intégrez les résultats prévus jusqu'à 45 oC. Expliquez votre prédiction.
Une fois que la température dépasse environ 30 degrés C, les enzymes se dénaturent et ce sera la fin de la respiration.

Quel est le but de KOH dans cette expérience ?
Le KOH prendra le CO2 et le transformera en un précipitant au fond du flacon et cela n'aura aucun effet sur les lectures d'O2.

Pourquoi le flacon devait-il être complètement scellé sous le bouchon ?
Le flacon devait être scellé ou du gaz s'échapperait et de l'eau pourrait s'infiltrer et affecter les résultats.

Si vous utilisiez la même conception expérimentale pour comparer les taux de respiration d'un mammifère de 35 g à 10 oC, à quels résultats vous attendriez-vous ? Expliquez votre raisonnement.
La respiration serait plus élevée chez les mammifères car ils ont le sang chaud.

Si la respiration chez un petit mammifère était étudiée à la fois à température ambiante (21 oC) et à 10 oC, quels résultats prédiriez-vous ? Expliquez votre raisonnement.
Le taux de respiration serait plus élevé dans le bain à 21 degrés car le mammifère fonctionnerait mieux lorsque son corps était plus confortable.

Expliquez pourquoi l'eau s'est déplacée dans les pipettes du respiromètre.
L'eau s'est déplacée dans la fiole parce qu'elle était complètement immergée dans l'eau, mais elle s'est arrêtée lorsqu'elle a rencontré l'oxygène sortant de la fiole.

14. Concevez une expérience pour examiner les taux de respiration cellulaire chez les pois qui germent depuis 0, 24, 48 et 72 heures. A quels résultats vous attendriez-vous ? Pourquoi?
Vous pouvez mettre des pois dans des flacons chacun à partir d'un intervalle de temps ci-dessus. Vous auriez un flacon avec des pois qui viennent de commencer à germer, un avec des pois à germination de 24 heures, un autre avec des pois de 48 heures et le dernier avec des pois de 72 heures. Placez-les dans un bain-marie à température ambiante. Prenez des lectures à des intervalles de 5 min jusqu'à 20 min. Les pois de 72 heures devraient avoir plus de consommation d'O2 car ils utiliseront plus d'oxygène car ils ont germé le plus longtemps. The just started germinating peas would use the least O2 because they haven’t been germinating vary long. The other two will be in the middle of the “just started peas” and the 󈬸 hour peas”.

Many errors could have been made in this lab. There could have been miscalculations when trying to equal the pea volumes. The stoppers might not have been sealed and gas could have been lost from the vials affecting the results with vengeance. The water temperatures had to be maintained precisely or the results would not be what they should be. There was also a lot of math in this lab when figuring results and many numbers could have been affected by this poor math.

This lab showed many things about thew rates of cellular respiration. This lab showed that germinating peas consume more O2 than nongerminating peas. The colder temperature also slowed the rate of oxygen consumption. The oxygen could be clearly seen because of the following reaction

This reaction gets rid of the CO2 so that it would not affect the readings of oxygen. It is absorbed by KOH to give you a precipitant K2CO3 + H2O. I conclude that the rate of O2 consumption is directly proportional to the respiration rate in that when the rate increases the gas consumption increases. When the gas consumption is low then the rate is low. Organisms go through cellular respiration more proficiently when the body of the organism is comfortable with its outside temp and environment. This lab showed many things affecting the rate of cellular respiration.


Investigation – Cellular Respiration Virtual Lab

Students in AP Biology investigate cellular respiration by placing peas or other living organisms in respirometers. After submerging the devices, students then measure the rate or respiration by collecting data on water movement in the pipets.

I have set this lab up for many years, and it can be expensive and time consuming. My class periods are only 50 minutes, so I would go over the AP Biology Respiration Lab and set it up the first day, then collect data on the second day. This is actually not ideal because changes can occur in the respirometer overnight.

This virtual version takes less time and money. Students can change variables in the simulator, like the number of seeds and the temperature of the chamber. They read the respirometer after two minutes and record how much the water in the tube has increased. The faster the rate of respiration, the more displacement of the water in the tube. This occurs due to the oxygen being consumed during the process.

The worksheet is set up as a CER (claim, evidence, reasoning) and provides minimal instructions on how to solve the experimental questions. I wouldn’t technically call it an “inquiry lab,” but it does give students the opportunity to explore variables.

Students can complete the worksheet either as a handout or online. You can even have students use Google sheets to graph the data, though it’s not necessary. They can fairly easily note trends in data without a graph. I usually place respiration directly after the unit on cells where students learn about organelles and their jobs. You could also pair this activity with a unit on photosynthesis because they are examining how seeds use oxygen.


Voir la vidéo: Первый день вайпа . MineTrust (Décembre 2021).